Формирователь управляющих импульсов

 

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

„„Я0„„1018214

А зов H 03 K 5/13

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3321023/18-21 (22) 08.07.81 (46) 15.05.83. Бюл. Е 18 (72) В.Н. Дыдычкин, В.В. Вакаев, Г.В. Прохорова, М.В. Лукашевич, Г.А. Вакульчук, Б.В. Михайленко, А.А. Старинский и Л.M. Гольдштейн (71) Всесоюзный научно-исследовательский институт ядерной геофизики и геохимии (53) 621 374 (088.8) (56) 1. Головацкий В.А. Устройство для заряда накопительных конденсаторов с постояннь|м током, потребляемым от сети. Электронная техника в автоматике. Сб. статей. Под ред. Конева Ю.Л.

Вып. 10, 1978, с. 139-144. H "Советское радио".

2. Авторское свидетельство СССР

М 668453, кл. G 01 ч 5/00, 1979 (54) (57) 1. ФОРМИРОВАТЕЛЬ УПРАВЛЯЮЦИХ ИМПУЛЬСОВ, содержащий источник постоянного напряжения, подключенный через ограничительный элемент к накопительному конденсатору, который подключен через низковольтный коммутатор к первичной обмотке повышающего трансформатора, вторичная обмотка которого подсоединена через диод к зарядному конденсатору и высоковольтному коммутатору, управляющий вход которого соединен с шиной поджига, отличающийся тем, . что, с целью повышения коэффициента полезного действия, а него введены дополнительная обмотка повышающего трансформатора, формирователь задержанных импульсов, две цепи обратной связи, делитель частоты с элементом задержки на выходе и такто вый генератор, выход которого соединен с входом делителя частоты, при этом одна из цепей обратной связи . содержит блок принудительного размыкания, первый вход которого соединен с дополнительной обмоткой повышающего трансформатора, а второй вход — с выходом тактового генератора, выход соединен с первым управляющим входом низковольтного коммутатора, другая цепь обратной связи включена между дополнительной обмоткой повышающего трансформатора и вторым входом низковольтного коммутатора и содержит последовательно соединенные элемент сравнения, второй вход которого соединен через генератор опорного напряжения с шиной управления, первый триггер и элемент совпадения, второй вход которого подключен к выходу тактового генератора, а второй вход первого триггера подключен к выходу элемента задержки, а выход первого триггера соединен с третьим входом блока принудительного разиыкания, причем вход формирователя задержанного импульса подключен к выходу элемента задержки, а выход подключен к шине поджига.

2. Формирователь по и. 1 о тличающийсятем, чтрвнего введено устройство блокировки, содержащее второй триггер и формирователь регулируемой задержки, вход которого соединен с выходом элемента задержки, а выход соединен с первым входом второго триггера, второй вход, которого подключен к выходу формирователя регулируемой задержки, а выход второго триггера соединен с четвертым входом блока принудительного размы101В214 а также блок с1одключенный ка принудиторым входом ем второй элемента совпаЧ >3

Ди T E.". дс38 а блок и четвертым льного размьl триг

К<3> ИЛ И TР>ЗТ«>llM f3ÕÎÄÎÌ I1C «3ВОГС! 3 3> Мпfl т,3 > овпаден31я . формиров,3т; пь по и. 1, и т л и ю щ .." < я l ем, что блок принул ь но го ра 3 мы ка ни я соде ржи после. тельно ссединенные интегратор, регулируемой задержки, третий гер, второй элемент совпадения и

Изобретение о «носится к устройствам ядерной геофизики и предназначено, в частности, для генерирования управляющего напряжения для питания скважинных ускорителей, например нейтронных трубок в скважинных генераторах нейтронов (СГН ).

Известен формирователь, содержащий регулируемый преобразователь низкого постоянного напряжения D высокое на основе силового трансформатора, широтно-импульсный модулятор, и цепь обратной связи по току, обеспечивающую постоянный ток заряда конденсатора (1 1

«5

Однако в известном устройстве работа преобразователя с большим динамическим диапазоном изменения коэффициента заполнения широтноимпульсного модулятора создает нерегулярный характер перемагничивания сердечника силового трансформатора, что может приводить к глубокому кратковременному одностороннему насыщению сердечника трансформатора и выходу силовых транзисторов из строя. Так как вторичная обмотка трансформатора содержит большое число витков, то габариты скважинного прибора неоправданно увеличены.

Наиболее близким по технической сущности и по выполняемой фун кции являеTcA формирователь, который содержит источник постоянногО напряжения, подключенный через ограничительный элемент к накопительному конденсатору, который подключен через низковольтный коммутатор к первичной обмотке повыша3а3«с го т ран сф«3рматора, вторичная обмот ка которого подсоединена через диод к зарядному конденсатору и высо40 ковол ь т нс3 1) кс3мму т а тору, управляющий

y c и 3 !и i с3 л ь >1>о «1 м и «1о в а T o 11 ь фикс ированн 3и задс ржки, мс жду вторым входoM блэ тельного размыкания и в трет ьего триггера, при.« и третий входы второго дений являются третьим входами блока принудите кания. вход которого соединен с шиной поджига. В описанном формирователе для запуска нейтронной трубки использована схема управляющего (изменяющегося по заданному закону ) напряжения с целью управления потоком нейтронов из мишени нейтронной трубки. Схема питания включает в, себя высоковольтный коммутатор, зарядный конденсатор, трансформатор и схему регулирования зарядного напряжения, которая, в свою очередь, состоит из источника постоянного напряжения, подключенного через ограничительный элемент (резистор или дроссель ) к накопительному конденсатору низковольтного коммутирующе

ro элемента и трансформатора. Такая схема питания, управляющая поджигом нейтронной трубки, позволяет регулировать мощность потока нейтронного генератора в зависимости от време««ного расстояния между маркерным импульсом (подаваемым на низковольтный коммутатор ) и импульсом поджига (на высоковольтный коммутатор ), Эта схема наиболее проста и надежна (2 1

К недостаткам формирователя следует отнести низкий КПД. Это обусловлено тем, что вся энергия, необходимая для заряда накопительного конден- сатора до необходимого уров;.3я, cocpe4oToчена B одном мощном импульсе.

Вследствие этого имеют место значительные потери в коммутаторе, коммутирующем большие уровни тока в первичной обмотке трансформатора, а также потери в меди трансформатора.

Цель изобретения - повь«шение коэффициента полезного действия, Поставленная цель достигается тем, что в формироватепь управляющих импульсов, содержащий и:точник ilocToRH

3 10!821 ного напряжения, подключенный через ограничительный элемент к накопительному конденсатору, который подключен через низковольтный коммутатор к первичной обмотке повышающего трансформа- 5 тора, вторичная обмотка которого подсоединена через диод к зарядному конденсатору и высоковольтному коммутатору, управляющий вход которого сое динен с шиной поджига, введены допоЛ- 1д нительная обмотка повышающего транс- форматора, формирователь задержанных импульсов, две цепи обратной связи, делитель частоты с элементом задержки на выходе и тактовый генератор, выход которого соединен с входом делителя частоты, при этом одна из цепей обратной связи содержит блок принудительного размыкания, первый вход которого соединен с дополнительной обмоткой повышающего трансформатора, а второй вход - с выходом . тактового генератора, выход соединен с первым управляющим входом низковольтного коммутатора, другая цепь обратной связи включена между дополнительной обмоткой повышающего трансформатора и вторым входом низковольтного коммутатора и содержит последовательно соединенные элемент сравнения, второй вход которого соединен через генератор опорного напряжения с шиной управления„ первый триггер и эле.мент совпадения, второй вход которого подключен к выходу тактового генератора, а второй вход первого триггера подключен к выходу элемента задержки, а выход первого триггера соединен с третьим входом блока принудитель" ного размыкания, причем вход формирователя задержанного импульса подао ключен к выходу элемента задержки, а выход под слючен к шине поджига.

Для достижения поставленной цели в формирователь управляоцих им45 пульсов введено устройство блокиров, ки, содержащее второй триггер, формирователь регулируемой задержки, вход которого соединен с выходом элемента задержки, а выход соединен

50 с первым входом второго триггера, второй вход которого подключен к выходу формирователя регулируемой задержки, а выход второго триггера соединен с четвертым входом блока принудительного размыкания и третьим вхо. SS дом первого элемента совпадения.

Блок принудительного размыкания содержит последовательно соединенные интегратор, блок регулируемой задержч / г ки, третий триггер, второи элемент совпадений и усилитель-формирователь, а также блок фиксированной задержки, подключенный между вторым входом блока принудительного размыкания и вторым входом третьего триггера, причем второй и третий входы второго элемента совпадений являются третьим и четвертым входами блока принудительного размыкания.

На фиг. 1 приведена схема формирователя управляющего напряжения для питания скважинного генератора нейтронов, на фиг. 2 - временные диаграммы, иллюстрирующие работу схемы.

Источник мощного управляющего напряжения (изменяющегося по заданному закону) выполнен на основе известНого схемного решения и включает в себя источник 1 постоянного напряжения, ограничительный элемент 2, накопительный конденсатор 3,. демпфирующий диог 4, низковольтный коммутатор 5, повышающий трансформатор 6, первичная обмотка которого подключена в цепь конденсатора 3, а вторичная - a цепь заряда через диод 7, высоковольтный коммутатор 8, соединенный через зарядный конденсатор 9 с первично" обмоткой импульсного трансформатора излучателя нейтронов на фиг. 1 выделен штриховой линией ) или другой импульсной нагрузкой.

Собственно излучатель состоит из высоковольтного импульсного транс- форматора 10, дросселя 11, конденсатора 12, ускорительной нейтронной трубки 13 и резистора 14, служащего для создания падения напряжения, используемого для подавления вторичных электронов из мишени и защитного дросселя 15, через который заряжается конденсатор 12 и который вместе с дросселем 11 образует импульсный делитель напряжения для поджига нейтронной трубки 13.

Источник мощного управляющего напряжения охвачен двумя цепями обратной связи, управляемыми тактовым генератором 16 с делителем 17 и элементом 18 задержки. В первую цепь обратной связи включен блок принудительного размыкания, состоящий из интегратора 19 (на который подается сигнал с дополнительной обмотки трансформатора 6 ), последовательно соединенного с блоком 20 регулируемой задержки, который, в свою очередь, 5 1018; управляет работой триггера 21, триг- гер 21 соединен также с блоком 22 фиксированной задержки. С выхода триггера 21 сигнал через элемент 23 совпадений и усилитель-формирователь

24 поступает на низковольтный коммутатор 5.

Вторая цепь обратной связи включена между дополнительной обмоткой повышающего трансформатора и вторым 1О входом низковольтного коммутатора и содержит генератор 25 опорного напряжения, элемент 26 сравнения, осуществляющий сравнение по амплитуде импульсов, поступающих с дополнительной 15 обмотки трансформатора 6 с опорным напряжением генератора 25, а также триггер 27 (первый триггер ), управляющий работой элементов 23 и 28 совпадения. 20

Кроме того, введены формирователь

29 регулируемой задержки и триггер

30 (второй триггер ), формирующий сигнал запрета прохождения импульсов через элементы 23 и 28 на коммутатор, 25

5, усилитель-формирователь 24 на время переходного процесса перезаряда конденсатора 9 после срабатывания коммутатора 8 llo импульсу, формируемому формирователем 31 задержанных импульсов с задержкой, определяемой элементом 18. Частота следования маркерных импульсов на коммутатор 8 задается делителем 17 и тактовым генератором 16. Интегратор 19, блок 20, триггер 21, блок 22, элемент 23 совпадения, усилитель 24 функционально объединены и составляют блок 32 принудительного размыкания, Формирователь 29 и второй триггер 30 образуют устройство блокировки 33, Форми рова тель работает следующим образом.

Источник 1 постоянного напряжения через ограничительный элемент 2 заря- 45 жает накопительный конденсатор

При замыкании низковольтного коммутатора 5 конденсатор 3 начинает разряжаться через первичную обмотку трансформатора 6.

Отправным моментом, характерным для ограничительной части схемы, является регулирование выходного напряжения в зависимости от интервала времени между импульсами, поступающими

55 на высоковольтный и низковольтный коммутаторы.

Введение тактового генератора 16 импульсов обеспечивает дискретность!

14 6 управления выходным напряжением данного источника, которое в первом приближении пропорционально числу импульсов тактового генератора 16.

Выбором тактовой частоты существе но большей частоты запуска и соответствующим подбором величины емкости накопительного конденсатора 3 с учетом величины паразитных параметро электрической цепи осуществляется дискретизация процесса заряда конденсатора 9, а также уменьшение единичной порции заряда, за счет чего достигается существенное уменьшение потерь в кабеле.

Введение дополнительной обмотки трансформатора 6 позволяет вести контроль напряжения вторичной обмотки трансформатора 6 и сравнение его с заданным параметром регулирования, для чего в устройство введены генера тор 25 опорного напряжения и элемент

26 сравнения. Таким образом, осущест влен переход к автоматически управля емому коммутатору.

Импульс замыкания коммутатора 5 формируется тактовым генератором 16, а временные интервалы поступления формируются первым элементом 28, триггером 27 и формирователем 29.

Напряжение на вторичной обмотке трансформатора 6 в начальный период времени изменяется по <осинусоидальному закону, Форма напряжения для случая достижения предельного выходного значения проиллюстрирована на фиг. 2, В этом случае заряда конденсатора 9 не происходит, диод 7 не мешает холостому процессу. Колебательный характер процесса обусловлен индуктивностью рассеяния и паразитнои емкостью, которые имеются в реальном трансформаторе. Из-за наличия потерь колебения, будут затухающими.

Если бы не было потерь в сердечнике трансформатора 6, то форма тока в первичной цепи имела бы вид, показанный пунктирной линией, и в момент когда напряжение достигло бм своего максимального значения, ток обратился бы в нуль. Наличие потерь приводит к запаздыванию тока, что приводи к значительным потерям энергии в коммутаторе 5, а кроме того, максимальное напряжение на накопительном конденсаторе 9 не достигает в конце цикла заряда удвоенного напряжения, Другое состояние схемы - когда зарядный конденсатор 9 полностью

7 10182 разряжен и через диод 7 протекает ток заряда. форма напряжения на выходе трансформатора 6 близка g показанной на фиг. 2 с той лишь разницей, что интервал времени S

t< — t определяется суммой емкостй зарядного конденсатора 9 и паразитной емкости трансформатора, и той же индуктивностью рассеяния.

Чтобы устранить потери энергии 10 из-за дополнительного открывания ключа при наличии потерь в трансформаторе,.необходимо в момент времени, характеризующийся изменением знака производной напряжения на противопо- lS ложный, принудительно запереть коммугатор 5. Для этой цели служит цепь збратной связи, состоящая из интегратора 19, блока 20 регулируемой задержки, триггера 21, элемента 23, го дополнительной обмотки трансформатора 6 и усилителя-формирователя 24.

Напряжение на концах дополнительной обмотки повторяет выходное напряжение (по форме ). С помощью интеграто- 2S ра 19,блока 20, триггера 21 максимум этого импульса напряжения сдвигается таким образом, что на выходе . цепи находится импульс, сдвинутый относительно импульса напряжения.

Величина этого сдвига и длительность импульса меняется в зависимости от амплитуды приходящего импульса так, чтобы длительность импульса и задержка уменьшались.

После размыкания цепи коммутато35 ра 5 энергия, накопленная в трансформаторе 6, быстро рассасывается через демпфирующий диод 4, и трансформатор готов к приходу следующего импульса.

На фиг. 2 показан момент, когда заряд накопительного конденсатора

3 приближается к завершению, а напряжение колебаний достигает величиI ны удвоенного напряжения вторичной м обмотки трансформатора 6. При разряженной емкости размах свободных колебаний, естественно, меньше, и по мере заряда возрастает с каждым следующим импульсом. 50

Для стабилизации уровня напряжения на накопительном конденсаторе 3 служит вторая цепь обратной связи. Сигнал второй цепи обратной связи снимается с той .же дополнительной обмотки трансформатора 6. Амплитуда свободных колебаний соответствует уровню заря. да накопительного конденсатора. Эта

14 амплитуда сравнивается в элементе

26 с опорным напряжением генератора

25 и при выравнивании этих напряжений элемент 26 формирует сигнал, подаваемый на триггер 27, запрещающий приход следующего импульса отпирания коммутатора 5 и усилителя 24 через элементы 28 и 23. Таким образом, процесс заряда прекращается и устройство начинает вновь работать только после полного или частичного разряда накопительного конденсатора 3 на нагрузку. Тот факт, что устройство не потребляет энергии на холостом ходу (когда конденсатор заряжен), дополнительно увеличивает КПД устройства.

В течение времени, необходимого для перезаряда конденсатора 9, импульсы от тактового генератора 16 не должны поступать на коммутатор

5 и усилитель-формирователь 24. Для этого предназначено устройство 23 блокировки, состоящее из триггера

30, управляемого формирователем 29.

Цепь, состоящая из элемента 18 и формирователя 31 задержанных импульсов управления коммутатором 8 необходима для нормальной работы демпфирующего диода 4, коммутатора

5 и усилителя 24 в предельном режиме работы, когда опорный сигнал выше максимального сигнала на дополнительной обмотке трансформатора 6, а число ступенек равно коэффициенту деления делителя 17.

Стабилизация выходного напряжения производится путем сравнения выходного напряжения с опорным. Число ступенек, необходимых для заряда накопительного конденсатора до заданного уровня при выбранном коэффициенте трансформации трансформатора 6 зависит от величины емкости накопительного конденсатора 3. Таким образом можно получить требуемую точность установки выходного напряжения путем варьирования величины входной емкости.

Соответствие выходного напряжения числу тактовых импульсов дает возможность управлять выходным напряжением с помощью программного счетчика числа ступеней, который можно включить вместо элемента сравнения 26 для управления триггером 27. Этот триггер открывает элементы 23 и 28 на время, равное числу тактовых импульсов, задаваемых программным счетчиком. o 8z 4

Удается уменьшить размеры трансформатора за счет повышенной частоты преобразования и за счет удвоения напряжения путем использования колебательного процесса в паразитных колебательных контурах реального транс- форматора, КПД увеличивается за счет того, что преобразование осуществляется при повышенной частоте и суммарная энергия, необходимая для заряда накопительного конденсатора, трансформируется по частям, а также за счет цепи обратной связи, которая осуществляет своевременное размыкание низковольтного коммутатора и Tp" самым устраняет потери из-за запаздывания тока. Дополнительным преимуществом такого устройства является то, что не пред.ьявляется высоких требований к паразитным параметрам силового трансформатора, поскольку удвоение напряжения возможно именно при их наличии. Применение предлагаемого источника управляющего напряжения наиболее эффективно именно в скважинной радиометрической аппаратуре где предьявляются жесткие требования как к массо-габаритным показатепям., так и к потребляемым мощностям., что связано с работой на кабель протяженнос TbA несколько километров и

-ермальными условиями работы аппаратуры в скважине. Область применения не or раничивается нуждами ядерной геофизики.

1018214 wz- EA, Составитель Л. Колосков

Редактор М. Парфенова Техред ll. Пекарь Корректор С.Шекмар

Заказ 3559/52 Тираж 936 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, N-35, Раушская наб., д. 4/5 филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4